VU Research Portal
Structural and spectroscopic in vivo imaging of the human retina with scanning light
ophthalmoscopy
Damodaran, M.
2020
document version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Link to publication in VU Research Portal
citation for published version (APA)
Damodaran, M. (2020). Structural and spectroscopic in vivo imaging of the human retina with scanning light
ophthalmoscopy.
General rights
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the legal requirements associated with these rights. • Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study or research. • You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal ? Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
E-mail address:
vuresearchportal.ub@vu.nl
888888888888888
8
Summary
888888888888888
170 Chapter 8. Summary
Ophthalmic imaging has been an active area of clinical investigation that has been expanding steadily, providing scientists and doctors with valuable informa-tion. New diagnostic and therapeutic methods have been established in this field, driven by an overall need to advance clinical care in ophthalmology. New scanning and imaging technologies have had a significant impact on ophthalmology. Struc-tural imaging techniques help in visualising the retina in great detail and helps in assessing retinal health. However, the structure does not always provide informa-tion on the tissue health, and thus techniques which can provide a quantitative, functional aspect of living tissue is required in many cases. The work presented in this thesis aims to develop new devices and techniques which can perform imaging of the retina and to apply them for non-invasive imaging of structure and function in the in vivo human retina.
To extract structural and functional information from the retina using an SLO, it is essential to understand it’s design, construction, and working. For this pur-pose, chapter 2 of this thesis discusses the principle of scanning based ophthalmic imaging systems, gives a brief explanation of various design considerations for con-structing an SLO, and introduces the retinal oximetry and its importance in diag-nosing various retinal diseases. Laser safety considerations for intentional exposure of the retina to the laser light is also described in detail. The knowledge from this chapter forms the basis of the scientific work presented in chapters 3 to 6.
In Chapter 3, a novel digital micromirror device (DMD) based SLO is presented. Concentric circle patterns were implemented as a scanning scheme to image the retina and provide fixation at the same time. The DMD was used in lieu of tra-ditional scanning mirrors and offered flexibility in terms of speed and confocality. The concentric circles improved the fixation and reduced motion artefacts com-pared to previously implemented parallel line scanning design. An annulus was used to reduce the corneal reflections from the retina and thereby to increase the sig-nal to noise ratio. in vivo imaging was demonstrated by performing non-mydriatic imaging on two subjects at a speed of 7 frames per second with a maximum 20◦ (di-ameter) field of view. The images were shot noise limited and clearly show various anatomical features of the retina with high contrast. The images were comparable to images from a commercial SLOs but at a fraction of the cost.
Chapter 4describes a detailed analysis of the error propagation of measure-ment noise in retinal oximetry, to identify optimal wavelengths which will yield the lowest uncertainty in saturation estimation for a given measurement noise level. The effect of haemoglobin packing in discrete blood vessels (pigment packing) is also introduced in this chapter. Pigment packing may result in a non-negligible bias in saturation estimation if unaccounted for under specific geometrical
condi-888888888888888
171 tions, such as sub-diffuse sampling of smaller blood vessels located deeper within the retina. To validate the analysis, an SLO was developed to produce high con-trast images. Confocal reflectance measurements were then conducted on a tissue-mimicking scattering phantom with optical properties similar to retinal tissue, in-cluding narrow channels filled with absorbing dyes to mimic blood vessels. By imaging at three optimal wavelengths, the ’saturation’ of the dye combination was calculated.
In Chapter 5, construction of an SLO based on a double-clad fibre coupler and a supercontinuum source is described in detail. Implementation of a balanced detec-tion scheme to suppress the relative intensity noise of the supercontinuum source is also described with experiments validating the improvements in the signal to noise ratio with the use of balanced detection. The optimum wavelengths for accurate
in vivo oximetry estimation using two wavelengths are established with an in silico
analysis. The SLO produced dual-wavelength, high-quality images at 10 frames / second with a 20◦ imaging field of view. The blood oxygen saturation in retinal blood vessels was mapped from the images.
The eye provides a unique location in the human body with visual access to blood vessels. The blood vessels in the eye are regarded as highly superficial and thus is a desirable access point for Hb concentration estimation due to the lack of thick overlying tissues present elsewhere in the body. In Chapter 6, a non-invasive spectrophotometric method to image the retina simultaneously at two ’isosbestic’ wavelengths, and then to extract the haemoglobin concentration values from the two images is described.
Finally, in Chapter 7, the discussion on the results obtained from the scientific work in chapters 3-6 is presented with an outlook for future research. The conclud-ing remarks of the thesis are also given in this chapter.
888888888888888
172 Chapter 8. Summary
Nederlandse
Samenvetting
Oogheelkundige beeldvorming is een actief gebied van klinisch onderzoek dat ges-taag uitbreidt en dat wetenschappers en artsen waardevolle informatie biedt. Nieuwe diagnostische en therapeutische methoden zijn op dit gebied vastgesteld vanuit een algemene behoefte om klinische zorg in de oogheelkunde te verbeteren.
Nieuwe scan- en beeld technologieen hebben een significante invloed op de oogheelkunde. Beeldvormingstechnieken die de structuur weergeven helpen bij het gedetailleerd visualiseren van het netvlies en daarmee het beoordelen van de gezondheid van het netvlies. Weefstelstructuur geeft echter niet altijd informatie over de gezondheid van het weefsel en daarom zijn in veel gevallen technieken nodig die een kwantitatief, functioneel aspect van levend weefsel kunnen weergeven. Het doel van het werk dat gepresenteerd wordt in dit proefschrift is om nieuwe ap-paraten en technieken te ontwikkelen die beeldvorming van het netvlies kunnen uitvoeren, en deze toe te passen voor niet-invasieve beeldvorming van structuur en functie in het in vivo menselijk netvlies.
Om structurele en functionele informatie uit het netvlies te halen met behulp van een SLO, is het belangrijk om het ontwerp, de constructie en de werking ervan te begrijpen. Met dit doel bespreekt Hoofdstuk 2 van dit proefschrift het principe van oogheelkundige beeldvormingssystemen die gebruik maken van scannen. Tevens geeft dit hoofdstuk een korte uitleg over verschillende ontwerpoverwegingen voor het construeren van een SLO en introduceert het retinale oximetrie en het belang ervan bij de diagnose van verschillende retinale ziekten. Laserveiligheidsoverweg-ingen voor het opzettelijke blootstelling van het netvlies aan het laserlicht worden ook in detail beschreven. De kennis uit dit hoofdstuk vormt de basis van het weten-schappelijke werk dat in de hoofdstukken 3 tot en met 6 wordt gepresenteerd.
In Hoofdstuk 3 wordt een nieuwe SLO op basis van een digital micromirror de-vice (DMD) gepresenteerd. Concentrische cirkelpatronen werden geïmplementeerd als een scanschema om het netvlies af te beelden en tegelijkertijd een fixatie te verschaffen. De DMD werd gebruikt in plaats van traditionele scan-spiegels en biedt flexibiliteit met betrekking tot snelheid en confocaliteit. De concentrische cirkels verbeterden de fixatie en verminderden bewegingsartefacten in vergelijk-ing met het eerder geïmplementeerde ontwerp dat scande met een parallelle lijn. Een annulus werd gebruikt om de cornea-reflecties van het netvlies te verminderen en daarmee de signaal-ruisverhouding te vergroten. In vivo beeldvorming werd aangetoond door niet-mydriatische beeldvorming op twee participanten uit te vo-eren met een snelheid van 7 beelden per seconde en een maximum gezichtsveld van 20◦ (diameter). De beelden waren shotnoise gelimiteerd en tonen met een hoog
888888888888888
173 contrast duidelijk de verschillende anatomische kenmerken van het netvlies. De afbeeldingen waren vergelijkbaar met afbeeldingen van commerciële SLO’s, maar slechts voor een fractie van de kosten.
Hoofdstuk 4beschrijft een gedetailleerde analyse van de foutpropagatie van meetruis in retinale oximetrie, om zo optimale golflengten te identificeren die de kleinste onzekerheid opleveren in de verzadigingsschatting voor een bepaald meetru-isniveau. Het effect van hemoglobineclustering in afzonderlijke bloedvaten (pig-mentclustering) wordt ook in dit hoofdstuk geïntroduceerd. Pigmentclustering kan resulteren in een niet-verwaarloosbare bias bij het schatten van de verzadiging in-dien geen rekening gehouden wordt met de specifieke geometrische omstandighe-den, zoals sub-diffuse bemonstering van kleinere bloedvaten dieper in het netvlies. Om de analyse te valideren werd een SLO ontwikkeld die beelden met een hoog contrast kon produceren. Confocale reflectiemetingen werden vervolgens uitgevo-erd op een verstrooiend fantoom dat weefsel nabootst. Dit fantoom had optische eigenschappen vergelijkbaar met netvliesweefsel, inclusief smalle kanalen gevuld met absorberende kleurstoffen om bloedvaten na te bootsen. Door beeldvorm-ing bij drie optimale golflengten werd de ’verzadigbeeldvorm-ing’ van de kleurstofcombinatie berekend.
In Hoofdstuk 5 wordt de constructie van een SLO op basis van een double clad fiber coupler en een supercontinuümbron in detail beschreven. De implementatie van een gebalanceerd detectieschema, om de relatieve intensiteitruis van de super-continuümbron te onderdrukken, wordt beschreven aan de hand van experimenten die de verbeteringen in de signaal / ruisverhouding valideren met behulp van gebalanceerde detectie. De optimale golflengten voor nauwkeurige in vivo oxime-trieschatting met behulp van twee golflengten worden bepaald aan de hand van een in silico analyse. De SLO produceerde beelden van hoge kwaliteit met dubbele golflengte met 10 beelden per seconde en een gezichtsveld van 20◦. De bloedzu-urstofsaturatie in retinale bloedvaten werd in kaart gebracht aan de hand van de gemaakte afbeeldingen.
Het oog biedt een unieke locatie in het menselijk lichaam waar visuele toe-gang is tot de bloedvaten. De bloedvaten in het oog worden als zeer oppervlakkig beschouwd en zijn dus een gewenst toegangspunt voor schatting van de hemoglobine concentratie, wegens het ontbreken van dikke bovenliggende weefsels die elders in het lichaam aanwezig zijn. In Hoofdstuk 6 wordt een niet-invasieve spectrofo-tometrische methode beschreven om het netvlies tegelijkertijd op twee isosbestis-che golflengten af te beelden en vervolgens hoe de hemoglobine concentratiewaar-den uit de twee afbeeldingen te extraheren is.
hoofd-888888888888888
174 Chapter 8. Summary
stuk 3-6 gepresenteerde wetenschappelijke werk besproken, met vooruitzichten voor toekomstig onderzoek. De slotopmerkingen van het proefschrift worden ook in dit hoofdstuk gegeven.
